仿魚(yú)類擺動(dòng)尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力研究.pdf

1、魚(yú)類等水下生物具有高效游動(dòng)和準(zhǔn)確定位的能力。同魚(yú)類的游動(dòng)相比較,應(yīng)用在無(wú)人水下航行器上(Underwater Unmaned Vehicle,UUV)的傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)由許多螺旋槳組成。這些螺旋槳分布在多個(gè)方向上,用來(lái)推進(jìn)和操縱艇體。傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)往往占用較大的空間消耗較多的能量。近年來(lái),越來(lái)越多的仿生推進(jìn)系統(tǒng)樣機(jī)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在這些系統(tǒng)中,魚(yú)體-尾鰭(Body and Caudal Fin,BCF)模式最為普遍。因此,BCF模式的魚(yú)類游動(dòng)引

2、起了眾多學(xué)者的關(guān)注。本文以研究仿魚(yú)類擺動(dòng)尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力性能為目的,在研究過(guò)程中,以計(jì)算流體力學(xué)方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)為主要工具,分析了仿魚(yú)類擺尾推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)性能。
　　首先,為了研究擺尾推進(jìn)系統(tǒng)在復(fù)雜流場(chǎng)中的推進(jìn)性能,采用求解RANS方程的方法計(jì)算了二維擺動(dòng)水翼在振動(dòng)半圓柱擾動(dòng)流場(chǎng)中的水動(dòng)力性能。分析了來(lái)流旋渦和水翼擺動(dòng)生成旋渦之間的相互作用模式。計(jì)算結(jié)果顯示來(lái)流旋渦對(duì)水翼

3、的水動(dòng)力影響很大,水翼能夠從來(lái)流旋渦中吸收能量,提高推進(jìn)效率。
　　其次,研究了尾鰭形狀和柔性變形對(duì)擺尾推進(jìn)系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響。一方面,對(duì)三種不同形狀(仿金槍魚(yú)、仿海豚、仿白鯨尾鰭)擺動(dòng)尾鰭的水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較表明非定常面元法和求解RANS方程的方法都是有效的。尾鰭形狀特別是投影面積對(duì)擺動(dòng)尾鰭的水動(dòng)力性能有重要影響。通過(guò)對(duì)三種不同形狀尾鰭的水動(dòng)力性能進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):仿金槍魚(yú)擺動(dòng)尾鰭的脫落渦分布范圍最小,

4、推進(jìn)效率最高。另一方面,研究了具有弦向變形的柔性擺動(dòng)尾鰭的推進(jìn)性能。討論了弦向變形相位角對(duì)柔性擺動(dòng)尾鰭水動(dòng)力性能的影響。研究表明弦向變形相位角能夠減小輸入功率,提高推進(jìn)效率。通過(guò)調(diào)整弦向變形相位角可以節(jié)省能量。
　　再次,研究了非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)對(duì)仿魚(yú)類擺尾推進(jìn)系統(tǒng)的影響。分別計(jì)算了非對(duì)稱純搖擺運(yùn)動(dòng)、非對(duì)稱純升沉運(yùn)動(dòng)、搖擺偏移非對(duì)稱擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和升沉偏移非對(duì)稱擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)這四種非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)下擺尾推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力性能。研究表明非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的尾鰭在一個(gè)運(yùn)

5、動(dòng)周期內(nèi)產(chǎn)生非對(duì)稱的水動(dòng)力。搖擺偏移能夠?qū)е聜?cè)向力在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的平均值非零。升沉偏移引起了水動(dòng)力變化的不連續(xù)。因此,對(duì)原來(lái)的升沉偏移非對(duì)稱模型進(jìn)行了改進(jìn),以消除水動(dòng)力的跳躍。此外,脫落渦也受到非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的影響,其分布也不再對(duì)稱。
　　最后,采用求解RANS方程的方法數(shù)值模擬了以“仿生-I”為原型的仿金槍魚(yú)水下機(jī)器人的自主游動(dòng)過(guò)程。提出了一種解決流體-運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題的方法。以彈簧原理為基礎(chǔ)的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)保證了計(jì)算網(wǎng)格